陽離子表面活性劑的合成及其與DNA作用研究

黎 歡， 李 曦

(1. 武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430070;2. 武漢理工大學(xué) 理學(xué)院化學(xué)系， 湖北 武漢 430070)

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陽離子表面活性劑的合成及其與DNA作用研究

黎 歡1， 李 曦2

(1. 武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430070;2. 武漢理工大學(xué) 理學(xué)院化學(xué)系， 湖北 武漢 430070)

合成了3種陽離子表面活性劑CTAB、16-3-16和16-3(OH)-16，并通過熒光光譜研究了它們與DNA在鹽溶液中的相互作用。該實(shí)驗(yàn)包含合成操作、光譜分析等化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本技能，涉及到有機(jī)化合物合成表征、熒光數(shù)據(jù)分析等化學(xué)理論知識(shí)，可作為化學(xué)專業(yè)的綜合實(shí)驗(yàn)，有利于鞏固學(xué)生的理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用。

綜合性實(shí)驗(yàn)； 表面活性劑合成； DNA； 熒光光譜

Gemini表面活性劑由共價(jià)鍵形成的聯(lián)接基團(tuán)將2個(gè)雙親分子緊密連接而成，2個(gè)離子頭基通過共價(jià)鍵的作用使得烷烴鏈間的相互作用更強(qiáng)，增強(qiáng)了疏水作用，同時(shí)聯(lián)接基團(tuán)也在很大程度上抵消了頭基間的靜電斥力，促進(jìn)了在界面或分子聚集體中的緊密排列[1-3]。這種特殊的結(jié)構(gòu)，使得Gemini表面活性劑較傳統(tǒng)表面活性劑有很多優(yōu)良的性質(zhì)，如有很低的Krafft點(diǎn)，有很好的增溶、潤(rùn)濕、發(fā)泡作用，并且具有良好的皂化分散性質(zhì)等[2,4]。而且，與傳統(tǒng)表面活性劑相比，Gemini陽離子表面活性劑與DNA有更強(qiáng)的結(jié)合能力[5-7]，它通過疏水作用和靜電作用與DNA結(jié)合，改變DNA的構(gòu)型，使DNA更容易穿越細(xì)胞膜、核膜等生物膜屏障，因此，Gemini陽離子表面活性劑有望成為一種很好的基因轉(zhuǎn)染劑[8-10]。

熒光光譜分析法是一種常用又方便的研究表面活性劑與DNA相互作用的方法，但DNA自身熒光很弱，所以我們選取穩(wěn)定性很好的溴化乙錠 (EB) 作為熒光探針，EB的特殊共軛平面結(jié)構(gòu)能使其插入DNA雙螺旋內(nèi)從而使DNA/EB體系的熒光顯著增強(qiáng)[11-12]。一些帶正電的物質(zhì)，如多肽、聚胺和表面活性劑等能與EB競(jìng)爭(zhēng)性地結(jié)合DNA[7,13-14]，導(dǎo)致熒光猝滅，從而可用于研究DNA與小分子之間的相互作用。采用熒光光譜分析法對(duì)比研究傳統(tǒng)陽離子表面活性劑和Gemini陽離子表面活性劑與DNA在鹽溶液中的相互作用，使學(xué)生既鞏固了大學(xué)有機(jī)合成和表面化學(xué)的相關(guān)知識(shí)，又加強(qiáng)了學(xué)生的自主分析能力，是一個(gè)適于強(qiáng)化學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)操作、培養(yǎng)學(xué)生思考分析能力的綜合性實(shí)驗(yàn)。

1 儀器與試劑

儀器：Nexus傅里葉變換紅外光譜儀(美國Thermo Nicolet公司)；DDS-11A型電導(dǎo)率儀，DJS-10型鉑黑電導(dǎo)電極(上海雷磁新涇儀器公司)； RF-5301熒光分光光度計(jì)(日本島津公司)。

試劑： N，N-二甲基十六烷基胺、1-溴代十六烷、1，3-二氯-2-丙醇、1，3-二溴丙烷，均為化學(xué)純；小牛胸腺DNA(Sigma公司)，33%三甲胺水溶液、10 mg/mL溴化乙錠溶液、正丙醇、乙醇、乙酸乙酯，甲醇、乙醚、丙酮，均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水均為雙蒸水。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 表面活性劑的合成

3種表面活性劑的合成路線見圖1，反應(yīng)方程式右邊對(duì)應(yīng)產(chǎn)物的簡(jiǎn)稱。

傳統(tǒng)表面活性劑CTAB：1-溴代十六烷和三甲胺水溶液按1.2∶1.0的摩爾比在甲醇中回流2 h，保持約67 ℃，回流結(jié)束后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)掉溶劑后得到白色或淡黃色黏稠膠狀物質(zhì)，用丙酮溶解并加入少量乙醚至微量晶體析出，冰水浴15 min后抽濾得DTAB粗晶體。用丙酮重結(jié)晶，真空干燥后得白色粉末。

亞甲基Gemini表面活性劑16-3-16：N,N-二甲基十六烷基胺和1,3-二溴丙烷按2.1∶1.0的摩爾比在正丙醇中回流反應(yīng)48 h，然后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑，在乙酸乙酯/乙醇混合溶劑中重結(jié)晶，真空干燥后得到白色粉末產(chǎn)物。

羥甲基Gemini表面活性劑16-3(OH)-16:N,N-二甲基十六烷基胺和1,3-二氯-2-丙醇按2.1∶1.0的摩爾比在正丙醇中回流反應(yīng)6 h，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑，在乙酸乙酯/乙醇混合溶劑中重結(jié)晶，真空干燥后得到白色粉末產(chǎn)物。

反應(yīng)產(chǎn)物用傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行表征，并用顯微熔點(diǎn)儀測(cè)其熔點(diǎn)。

2.2 CMC的測(cè)定

25 ℃時(shí)，用電導(dǎo)率儀測(cè)不同濃度下各表面活性劑的電導(dǎo)率值，從電導(dǎo)率- 濃度cs的曲線上得到一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此處的濃度為臨界膠束濃度(CMC)。

圖1 表面活性劑的合成路線

2.3 熒光光譜

所有溶液以0.01 mol/L NaBr溶液為溶劑，以EB為熒光探針，并保證[EB]/[P]=0.5，[P]即為DNA磷酸基團(tuán)的濃度(通過其紫外吸收光譜在260 nm的吸光度可計(jì)算出來，相應(yīng)的摩爾吸光系數(shù)是6 600L/(mol·cm)，各表面活性劑定量加入EB/DNA混合溶液中，且表面活性劑與DNA的摩爾濃度比X的范圍在0～4。激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)分別是543 nm和601 nm。

3 結(jié)果與討論

3.1 表面活性劑的表征

合成產(chǎn)品的紅外表征結(jié)果如圖2所示。

在圖2(a)中，2 920 cm-1處和2 850 cm-1處分別對(duì)應(yīng)亞甲基鏈上的碳-氫反對(duì)稱伸縮振動(dòng)和對(duì)稱伸縮振動(dòng)(vas(—CH2—)=2 920 cm-1,vs(—CH2—)=2 850 cm-1)；1 485 cm-1處和1396 cm-1處分別對(duì)應(yīng)甲基的碳-氫反對(duì)稱彎曲振動(dòng)和對(duì)稱彎曲振動(dòng)(δas(—CH3) =1485 cm-1,δs(—CH3) =1 396 cm-1)；在964 cm-1、937 cm-1、910 cm-1處出現(xiàn)碳-氮的特征吸收峰；725 cm-1處對(duì)應(yīng)亞甲基鏈上的碳-氫平面搖擺振動(dòng)(δ(—CH2—)=725 cm-1)。在圖2(b)和圖2(c)中都能找出相應(yīng)的峰，說明這些化合物中都含有—CH2—、—CH3、C—N等結(jié)構(gòu)單元。另外在圖2(b)中，3 413 cm-1處是—OH的特征吸收峰，表明產(chǎn)物中含有少量的水分，這是由于所合成的16-3-16有吸濕性，吸收了少量水分導(dǎo)致的。圖2(c)對(duì)應(yīng)16-3(OH)-16的紅外光光譜，3 425 cm-1處和3 170 cm-1處對(duì)應(yīng)羥基的氫-氧伸縮振動(dòng)；1 143 cm-1處和1 115 cm-1處對(duì)應(yīng)碳—氧伸縮振動(dòng)。

圖2 產(chǎn)品的紅外光譜圖

3.2 CMC值的測(cè)定

圖3為表面活性劑的к-cs曲線。根據(jù)圖3可知，25℃時(shí)CTAB、16-3-16和16-3(OH)-16的CMC分別是9.55×10-4mol/、1.501×10-5mol/L 和2.993×10-5mol/L。可以看出，Gemini表面活性劑具有較低的臨界膠束濃度，CMC比傳統(tǒng)表面活性劑低約2個(gè)數(shù)量級(jí)，但羥基的引入對(duì)Gemini表面活性劑的CMC影響不是很大。Gemini表面活性劑相比于傳統(tǒng)表面活性劑，主要是連接基團(tuán)將兩個(gè)長(zhǎng)烷烴鏈緊密連接，致使烴鏈間的相互作用增強(qiáng)，抑制了親水頭基之間由于靜電斥力所引起的分離作用，使Gemini表面活性劑更易聚集形成膠團(tuán)，從而大大提高了其表面活性。

圖3 表面活性劑的к-cs曲線

3.3 熒光光譜

圖4是16-3(OH)-16與DNA/EB體系混合的熒光光譜變化，隨著16-3(OH)-16濃度的增加，帶正電的表面活性劑與DNA磷酸基團(tuán)靜電結(jié)合，同時(shí)與相鄰表面活性劑上烷烴鏈之間的疏水作用導(dǎo)致更多的16-3(OH)-16分子協(xié)同性結(jié)合到DNA上，大量EB被擠出DNA體系，從而發(fā)生熒光猝滅，即DNA/EB的熒光強(qiáng)度急劇減小。但隨著16-3(OH)-16濃度的進(jìn)一步增加，DNA/EB的熒光強(qiáng)度不再減小。CTAB、16-3-16與DNA/EB體系相互作用的熒光光譜變化趨勢(shì)也大致相同。

圖4 不同濃度16-3(OH)-16與DNA/EB混合的熒光光譜

圖5是各表面活性劑與DNA/EB混合后相對(duì)熒光強(qiáng)度I/I0隨摩爾濃度比X的變化曲線。這3種表面活性劑都有著相同的疏水尾鏈，但16-3-16和16-3(OH)-16疏水尾鏈由連接基團(tuán)聯(lián)接，在一定程度上抑制了親水頭基之間的靜電斥力。相比于CTAB，它們與DNA的靜電吸引作用強(qiáng)烈得多，所以只需很小的摩爾濃度比，Gemini/DNA體系就能達(dá)到平衡。另外，在水溶液中16-3(OH)-16分子的羥基能在彼此之間及水溶液之間形成羥基，使得16-3(OH)-16離子頭基之間的距離比16-3-16 頭基之間更短[15]，所以16-3(OH)-16分子與DNA的相互作用更強(qiáng)烈。

圖5 不同表面活性劑與DNA/EB混合后I/I0隨摩爾濃度比X的變化曲線

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)合成了傳統(tǒng)表面活性劑CTAB和聯(lián)結(jié)基團(tuán)分別為亞甲基鏈、含羥基亞甲基鏈的季銨鹽Gemini陽離子表面活性劑，即16-3-16和16-3(OH)-16，并用紅外光譜對(duì)它們的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了鑒定。分析表明，Gemini陽離子表面活性劑的CMC比傳統(tǒng)表面活性劑低約2個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，隨著表面活性劑濃度的增加，帶正電的表面活性劑與DNA磷酸基團(tuán)靜電結(jié)合，同時(shí)與相鄰表面活性劑上烷烴鏈之間的疏水作用導(dǎo)致更多的表面活性劑協(xié)同性結(jié)合到DNA上。而且，疏水尾鏈相同時(shí)，Gemini陽離子表面活性劑與DNA的相互作用明顯比CTAB要強(qiáng)烈得多，而連接基團(tuán)上的羥基又會(huì)促進(jìn)表面活性劑與DNA之間的作用。

本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生通過有機(jī)合成制備配合物并進(jìn)行表征，電導(dǎo)法求出CMC，以及使用熒光法進(jìn)行表面活性劑與DNA作用的研究，涉及到有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)等基礎(chǔ)化學(xué)的相關(guān)知識(shí)和基本操作。通過整個(gè)實(shí)驗(yàn)的完成，綜合鍛煉了學(xué)生各個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)技能，初步掌握科學(xué)研究的基本路線和方法，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。而且，該實(shí)驗(yàn)取材于近幾年發(fā)表的文獻(xiàn)，涉及到目前的研究熱點(diǎn)，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和開拓學(xué)生的研究視野。

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Study on synthesis of cationic surfactants and their interaction with DNA

Li Huan1， Li Xi2

(1. School of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. Department of Chemistry, School of Science, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Three cationic surfactants (CTAB, 16-3-16 and 16-3(OH)-16 ) were synthesized and their interactions with DNA were investigated by fluorescence spectrum. This comprehensive experiment not only contains many basic chemical experiment skills such as synthesis operation and spectrum analysis, but also involves chemical theoretical knowledge including organic synthesis, characterization and fluorescent data analysis. It can be classified as a comprehensive experiment for students majoring in chemistry, which can help students to strengthen theoretical knowledge and cultivate comprehensive experimental abilities.

comprehensive experiments；synthesis of surfactants；DNA；fluorescence spectrum

2014- 06- 05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51273155)；湖北省高等學(xué)校省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目(2010082)；武漢理工大學(xué)本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)基金

黎歡(1991—)，女，湖北咸寧，碩士研究生，主要從事表面活性劑與DNA相互作用的研究

E-mail：huan_li@whut.edu.cn

李曦(1968—)，女，湖北陽新，博士，教授，主要從事物理化學(xué)科研與教學(xué).

E-mail：chemlixi@whut.edu.cn

O6-3

A

1002-4956(2015)2- 0069- 04